交換機工作原理

1、交換機的作用：

• 連接多個以太網(wǎng)物理段，隔離沖突域
• 對以太網(wǎng)幀進行高速而透明的交換轉(zhuǎn)發(fā)
• 自行學(xué)習(xí)和維護MAC地址信息

交換機工作在二層，可以用來隔離沖突域，在OSI參考模型中，二層的作用是尋址，這邊尋址指的是MAC地址，而交換機就是對MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，在每個交換機中，都有一張MAC地址表，這個表是交換機自動學(xué)習(xí)的。

所以，總得來說交換機的作用是尋址和轉(zhuǎn)發(fā)，這邊需要注意的是尋址和轉(zhuǎn)發(fā)都是MAC地址，需要跟上周分享的路由器區(qū)分開來，路由器尋址尋的是IP地址，而交換機是MAC地址。

2、交換機的特點：

• 主要工作在OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層
• 提供以太網(wǎng)間的透明橋接和交換
• 依據(jù)鏈路層的MAC地址，將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀在端口間進行轉(zhuǎn)發(fā)

3、交換機MAC地址表轉(zhuǎn)發(fā)過程：

MAC地址表初始化：

交換機剛啟動時，MAC地址表中無表項。以上圖中的交換機就是剛剛啟動的時候的MAC地址表?？梢钥闯霾]有任何的表項，當(dāng)接入PC的時候，交換機開始進行學(xué)習(xí)MAC地址，見下圖：

MAC地址表學(xué)習(xí)過程（1）

• PCA發(fā)出數(shù)據(jù)幀
• 交換機把PCA的幀中的源地址MAC_A與接收到此幀的端口E1/0/1關(guān)聯(lián)起來
• 交換機把PCA的幀從所有其他端口發(fā)送出去（除了接收到幀的端口E1/0/1）

MAC地址表學(xué)習(xí)過程（2）

PCB、PCC、PCD發(fā)出數(shù)據(jù)幀交換機會把接收到的幀中的源地址與相應(yīng)的端口關(guān)聯(lián)起來，至此，交換機的MAC地址表學(xué)習(xí)完成，開始進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

4、交換機對數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)與過濾

單播幀的轉(zhuǎn)發(fā)：

• PCA發(fā)出目的到PCD的單播數(shù)據(jù)幀
• 交換機根據(jù)幀中的目的地址，從相應(yīng)的端口E1/0/4發(fā)送出去
• 交換機不在其他端口上轉(zhuǎn)發(fā)此單播數(shù)據(jù)幀

廣播、組播和未知單播幀的轉(zhuǎn)發(fā)：

交換機會把廣播、組播和未知單播幀從所有其他端口發(fā)送出去（除了接收到幀的端口）

VLAN基本原理

1、廣播風(fēng)暴

所謂廣播幀就是在二層環(huán)境中設(shè)備發(fā)出的廣播幀在廣播域中傳播，這樣會導(dǎo)致廣播鎮(zhèn)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，降低設(shè)備性能。

2、使用三層設(shè)備路由器隔離廣播域

廣播幀屬于二層并不會跨越三層，所以為了解決廣播風(fēng)暴，可以使用三層設(shè)備隔離廣播域，減小廣播域范圍。比如使用路由器來隔離廣播域，由于路由器是三層設(shè)備，對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)容易形成瓶頸，所以一般我們使用VLAN來隔離廣播域。

3、VLAN隔離廣播

二層交換機使用VLAN（虛擬局域網(wǎng)）隔離廣播，用來減小廣播域范圍。這樣的話，不同VLAN之間是無法進行通信的，假設(shè)PCA發(fā)送一個廣播幀，只會在VLAN1之間傳播并不會傳播到VLAN2，這樣既限制了廣播域的范圍，又保證了VLAN2的安全性。

4、VLan優(yōu)點

• 有效控制廣播域范圍
• 增強局域網(wǎng)的安全性
• 靈活構(gòu)建虛擬工作組

5、VLAN分類（VLAN的劃分方法）

基于端口的VLAN：

基于端口的VLAN劃分方法是最常用的一種劃分方法，就是一個或者幾個端口屬于一個VLAN，這個端口下面的用戶也就屬于該 VLAN。假設(shè)以上圖中，E1/0/1和E1/0/2屬于VLAN10，E1/0/3和E1/0/4屬于VLAN20，那么PCA和PCB也都都屬于 VLAN10，可以互相通信，PCC和PCD屬于VLAN20，也可以互相通信。

這種劃分方法的優(yōu)先就是配置比較方便，只要在交換機上將相應(yīng)的端口加入相應(yīng)的 VLAN 即可，缺點是對于用戶來說如果更改了交換機的端口也就更換了VLAN ID。

基于MAC地址的VLAN：

基于 MAC 地址的 VLAN 就是在劃分 VLAN 的時候根據(jù) MAC 地址劃分 VLAN，比如將 PCA和 PCB 的 MAC 地址劃分在 vlan10中，那么 PCA 和 PCB 就屬于 VLAN10，PCC 和 PCD 同理。

這種劃分方法的優(yōu)點是對于用戶來說不受地理位置的閑置，不管PCA用戶接在哪個接口，都屬于VLAN10，缺點是配置較基于端口的劃分方法繁瑣。

基于協(xié)議的VLAN：

這種劃分方法是指運行不同的協(xié)議劃分到相同的VLAN中，比如PCA和PCB都運行的是IP協(xié)議，屬于VLAN10，PCC和PCD同理。

此種劃分方法優(yōu)點依舊是不受物理位置的影響，不管PCA接在交換機的哪個接口，都屬于VLAN10。缺點的其實PC真正可以運行的協(xié)議并沒有很多，有劃分vlan數(shù)量上的限制。

基于子網(wǎng)的VLAN：

這種劃分方法是根據(jù)子網(wǎng)劃分，比如10.0.0.0/24屬于VLAN10,20.0.0.0/24屬于vlan20；

以上四種劃分方法最常用配置最方便是基于端口的VLAN劃分方法，后面的實驗示例也是以基于端口的劃分方法。

6、Vlan技術(shù)原理

VLAN標簽：

對于交換機來說，是根據(jù)VLAN標簽來區(qū)分不同VLAN的以太網(wǎng)幀的。比如PCA發(fā)送一個目的地址為PCB的數(shù)據(jù)幀，到達交換機，交換機會打上VLAN 10的標簽，然后根據(jù)vlan表確定從PCB的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去交給PCB。下面會詳細介紹VLAN標簽的操作。

802.1Q幀格式：

我們知道PC發(fā)送的數(shù)據(jù)并不帶VLAN標簽，那么VLAN ID的標簽是什么時候打上的呢，其實是在數(shù)據(jù)中進入交換機端口的時候打上的。在標準的以太網(wǎng)幀的源地址SA和類型Type之間打上的Tag標簽，此tag標簽中含有VLAN ID，VLAN ID的范圍為4096，去掉一個默認的vlan 1和vlan4096作為保留vlan，實際可用的vlan ID個數(shù)為4094個。

單交換機VLAN標簽操作：

上面已經(jīng)提過PC發(fā)送的數(shù)據(jù)不帶VLAN標簽，所以實在進入交換機的時候打上vlan標簽，既然PC發(fā)出的數(shù)據(jù)不帶VLAN標簽，那么在出交換機的時候交換機需要對數(shù)據(jù)幀的VLAN標簽進行剝離再轉(zhuǎn)發(fā)給相對應(yīng)的PC。

例如：PC發(fā)送一個保標準的以太網(wǎng)幀，源地址為PCA的地址，目的地址為PCC的地址，到達交換的時候端口的時候，交換機會打上VLAN10的標簽，然后根據(jù)vlan表從PCC所在的端口轉(zhuǎn)發(fā)，同時需要將VLAN 10的標簽剝離，也就是說此數(shù)據(jù)幀到達PCC的時候依舊是標準的以太網(wǎng)幀，并不帶VLAN標簽，PCB和PCD同理。

Access鏈路類型端口：

VLAN 有三種鏈路類型，常用的是 Access 和 trunk 鏈路類型，下面也是介紹這種鏈路類型。第一種是 Access 鏈路類型，此鏈路類型的特點是指允許缺省的 VLAN 通過，同時僅發(fā)送和接收一個 VLAN 的數(shù)據(jù)幀。

所以 access 鏈路類型一般適用于連接用戶設(shè)備，也就是交換機直接接 PC使用 access 鏈路。

跨交換機VLAN標簽操作：

上面講過，vlan 標簽是在進入交換機的時候打上的，出交換機剝離標簽，那么在如上的拓撲中，PCA 發(fā)送一個目的地址到PCC的數(shù)據(jù)幀，到達 SWA，SWA 打上 VLAN10的標簽，然后從E1/0/24剝離標簽然后轉(zhuǎn)發(fā)出去，到達 SWB 打上vlan10的標簽，從E1/0/1轉(zhuǎn)發(fā)到 PCC，這是正常數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，但是上面說過Access鏈路類型只支持一個數(shù)據(jù)幀通過，那么入股 PCB 同時再發(fā)一個 VLAN20 的數(shù)據(jù)幀的話就無法進行轉(zhuǎn)發(fā)，為此，通過 trunk 鏈路類型實現(xiàn)。

Trunk 鏈路類型端口：

Trunk 鏈路類型的有點久是允許多個 VLAN 通過，可以接收和發(fā)送多個 VLAN 的數(shù)據(jù)幀。同時對于缺省的 VLAN 也就是 PVID 的以太網(wǎng)幀是不帶標簽的。

所以 trunk 鏈路類型一般用戶交換機之間的連接。